水泥窑余热 锅炉窑头鳍片管断裂失效分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com52工业锅炉2011年第4期(总第128期)文章编号：1004—8774(2011)04—52-04水泥窑余热锅炉窑头鳍片管断裂失效分析刘劲松，常治平，吴进强，陶柳(川润股份材料研究所，自贡643000)FailureAnalysisonFractureofFinTubeinKilnEndofAQCWasteHeatBoiler第一作者：刘劲松LIUJin—song，CHANGZhi—ping，WUJin—qiang，TAOLiu(1986一)，毕业于(SichuanCRUNCO．LTDMaterialsResearchIn

2、stitute，Zigong643000，China)四川I大学金属材料专业，学十学位，一I摘要：AQC窑头余热锅炉，在投运约半年左右，接连在同一部位发生鳍片管断裂事故，断程师。现任四川川裂位置均集中在鳍片管与集箱焊缝接头处。通过失效分析，发现断裂呈现明显的疲劳特征，造润股份材料研究所成疲劳断裂的原因在于窑头烟气温度周期性大范围变化。所长助理关键词：余热锅炉；失效分析；疲劳断裂中图分类号：TK227文献标识码：B0概述与集箱焊口附近产生两次环向断裂。据了解]件是在锅炉正常运行时发生断裂，其工作环境温度某水泥窑余热锅炉项目窑头中压段蒸发器在正350℃左右。为此，

3、我们切取失效管件(如图1，罔常使用约半年后，窑头最上端自外向内数第1排螺2，图3)进行检验分析。旋鳍片管(20号钢，GB／T3087-2008，+38×3．5)1断裂位置及取样位旨照片冈2钢管环形断裂断口宏观照片罔3第二次断裂试样照片从宏观上看，失效管件具有以下特点．长度办约3Cnl，A、C域内壁仅少部分呈(1)断裂为环向全断裂，尤可见塑性变形，断Lj色，覆盖范围约1Cifl，剩余部分办红色有明金属光泽、(4)x位置有少量焊疤彤貌，冈此判定断裂的(2)从宏观形貌上看，断口可以分为A、B、C、D位置是在翅片管与集箱联接焊缝的热影响。陔个域断【_]的A、c位置呈明

4、的脆性断裂特lJ系生产制造焊口而非T地安装焊口，焊高经¨测，衷而光滑，无颗粒状形貌，角度较大，呈45。斜坡大约l0mm。据了解该焊口在实际q

5、产加l1叶1采川状．B、D位置有类似剪切唇的形貌，但过度平缓，(ES016)焊条一次焊接成型总体台阶状台阶状末段有放射线状条带纹路，1失效管件的检验与检测与台阶形貌垂直。1．1元素分析(3)B、D区域内壁颜色灰暗，覆盖范同沿管子对失效管件进行化学分析，结果如表1、收稿日期：20114一l3学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com·事故与分析·水泥窑余热锅

6、炉窑头鳍片管断裂失效分析55图片清晰显示出，台阶为无数沟槽连接所致。④位于中压蒸发器管屏箱体最上层，此处温度图17所示为台阶边缘发现的疲劳条带。由于最高，温差波动范围最大。且由于是光管位置，光管疲劳条带是判断疲劳裂纹的充分非必要条件，因此本身散热与吸热均不如鳍片管，故对温度变化更为已经可以判断该处试样断裂为疲劳断裂。敏感。2分析与讨论(3)断裂过程经过仔细观察分析试样，整个断裂过程可以还(1)判断疲劳断裂的前提原为：根据文献[1]对疲劳断口的评判标准，“宏观断①疲劳裂纹形核阶段。此热疲劳属于低周疲口上有疲劳弧线或疲劳台阶(疲劳沟线)，或者微观劳，低周疲劳的疲劳

7、源一般有多处，根据疲劳台阶走断口上有疲劳条带，就可以判定此断口为疲劳断口，向，可以判断疲劳裂纹首先在图2中B、D位置管外宏观疲劳特征和微观疲劳特征两者居一即可”。壁形核，并环向扩展。如图18、图19所示为文献[1]中提供的疲劳台②裂纹稳定扩展阶段。此阶段在宏观上表现为阶与疲劳条带典型照片。疲劳台阶形成，自图2中B、D位置外壁向内壁扩展。③裂纹失稳瞬时断裂阶段。此阶段在宏观上表现为疲劳台阶末段与之垂直的放射状纹路及A、C图18断口宏观特征(疲劳台阶)区域的瞬断痕迹。由温度变化引起的热冲击不断作用在应力集中处，随着裂纹持续扩展，钢管热影响区强度已不足以保证连接部性

8、能，故整个钢管发生瞬时低应力低塑性脆断。综合上述分析结果，我们对窑头最上层管屏工况也进行了考察。通过该水泥厂锅炉运行记录显示，窑头烟气温度约每小时发生一次周期性变化，温度变化范围自300℃至500oC不等，而我公司在设图19疲劳条带计时并未考虑到如此频繁与大幅度的温度变化，对对比图3与图18断口宏观疲劳台阶形貌照片于蒸发器最上端烟气隔板尺寸及位置考虑不足。此及放射线，图16与图19微观疲劳条带照片，虽然由外，虽然过热组织属于焊缝热影响区中不可避免的于脆性的魏氏体组织使疲劳条带保存不够完美，但缺欠，但焊接质量的好坏在一定程度上对接头抗疲是仍然可见较清晰的疲劳条纹

9、。可以判断，该试样劳能力也存在影响，而